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圖像傳感器

 

圖像傳感器是數(shù)字成像系統(tǒng)的主要組成部分，對整個(gè)系統(tǒng)的性能有很大的影響，主要有電荷耦合器件（CCD）和CMOS圖像傳感器（CIS）兩種類型。近年來，隨著價(jià)格的下降，數(shù)碼相機(jī)變得極為普遍。其中，價(jià)格下跌背后的重要驅(qū)動力就是CMOS圖像傳感器的引入，因?yàn)镃MOS傳感器的制造成本要比此前廣泛應(yīng)用的CCD傳感器低得多。

 

CMOS圖像傳感器與CCD的多角度對比

 

CCD是數(shù)碼相機(jī)中較早使用的一種圖像傳感器。在數(shù)碼相機(jī)出現(xiàn)的早期，因電池普遍比較大，CCD的高功耗并不是一個(gè)大問題。由于數(shù)碼相機(jī)體積不斷縮小，使用的電池也越來越小，CCD高功耗的缺點(diǎn)便暴露出來，此時(shí)低功耗小體積的CMOS圖像傳感器就成為更好的選擇。隨著圖像傳感器記錄的像素?cái)?shù)量不斷增加，CMOS圖像傳感器的優(yōu)勢愈加突出。比如CMOS圖像傳感器比CCD使用更少的功率且擁有更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，這也是越來越多的數(shù)碼相機(jī)開始采用CMOS圖像傳感器的重要原因。

 

雖說CCD與CMOS圖像傳感器的工作原理都是將光轉(zhuǎn)換成電子，但二者采用的技術(shù)略有不同。CMOS圖像傳感器由數(shù)百萬個(gè)像素傳感器組成，每個(gè)像素傳感器包括一個(gè)光電探測器。當(dāng)光線通過鏡頭進(jìn)入相機(jī)時(shí)，就會照射到CMOS圖像傳感器，而每個(gè)光電探測器會根據(jù)照射到它的光線量積累電荷，然后數(shù)碼相機(jī)將電荷轉(zhuǎn)換為數(shù)字讀數(shù)，從而確定每個(gè)光電探測器上測量的光強(qiáng)度以及顏色。相應(yīng)的軟件再將這些讀數(shù)轉(zhuǎn)換為單獨(dú)的像素，這些像素合在一起顯示時(shí)就構(gòu)成了照片。CCD器件則是由大量獨(dú)立的感光二極管組成，從功能上說，CCD感光元件在某種程度上相當(dāng)于傳統(tǒng)相機(jī)的膠卷。一塊CCD上包含的像素?cái)?shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。

 

由于制造和技術(shù)上的差異，CCD和CMOS圖像傳感器之間存在著一些明顯的差異。

 

在工藝上：由于CCD使用了一種特殊的制造工藝來傳輸電荷而不失真，因此它能生成高質(zhì)量、低噪聲圖像。CMOS傳感器則不然，它更容易受到噪聲的影響，這是因?yàn)镃MOS圖像傳感器上的每個(gè)像素上都有幾個(gè)晶體管，因此CMOS芯片的光靈敏度往往較低。不過CMOS的實(shí)現(xiàn)方法更靈活，每個(gè)像素可以單獨(dú)讀取。

 

在功耗上：顧名思義，CMOS圖像傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造，它允許我們將傳感器與成像系統(tǒng)所需的其他模擬和數(shù)字電路集成。這種集成解決方案能顯著降低器件的功耗同時(shí)提高讀出速度。反觀CCD，目前其功耗相當(dāng)于CMOS傳感器的100倍。

 

在成本上：CMOS芯片可以在任何標(biāo)準(zhǔn)的硅生產(chǎn)線上制造，因此它們往往比CCD傳感器便宜得多。但因CCD傳感器已經(jīng)大量生產(chǎn)了較長的時(shí)間，產(chǎn)品相對更加成熟，制造成本也有大幅度的降低。

 

基于上述分析我們可以看出，CCD更適合用于對圖像質(zhì)量有較高要求的應(yīng)用，它能提供出色的感光度。傳統(tǒng)上，CMOS傳感器往往具有較低的質(zhì)量、較低的分辨率和較低的靈敏度。隨著CMOS圖像傳感器性能的不斷提高，在某些應(yīng)用中已接近CCD的水平。此外，CMOS圖像傳感器的低功耗小尺寸還使得“芯片相機(jī)”成為可能，符合相機(jī)小型化的趨勢。芯片相機(jī)的崛起為車載、軍工航天、醫(yī)療、工業(yè)制造、移動、攝影、安防等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供了新機(jī)遇。

 

CMOS圖像傳感器在多領(lǐng)域的應(yīng)用

 

據(jù)Yole的分析數(shù)據(jù)，2017年，CMOS圖像傳感器開始進(jìn)入高增長階段，同比增長達(dá)到20%。2018年，全球市場規(guī)模約155億美元，2019年同比增長10%，達(dá)到170億美元。目前，CMOS圖像傳感器市場正處于穩(wěn)定增長期，預(yù)計(jì)2024年市場逐漸趨于飽和，市場規(guī)模升至240億美元。

 

圖1：CMOS圖像傳感器全球市場規(guī)模

（圖源：Yole，西南證券）

 

根據(jù)IC Insights最新發(fā)布的《2021年O-S-D報(bào)告——光電子、傳感器/致動器和分立器件的市場分析和預(yù)測》，CMOS圖像傳感器的銷售額將在2021年重新獲得強(qiáng)勁的高增長勢頭，增長19%，達(dá)到228億美元，這將是自2010年以來全球銷售額連續(xù)第10次創(chuàng)下歷史新高。在2020-2025年的五年預(yù)測期，CMOS圖像傳感器的銷售額將以12.0%的復(fù)合年增長率（CAGR）增長，2025年達(dá)到336億美元。CMOS圖像傳感器的總出貨量也將以14.9%的CAGR增長，2025年達(dá)到135億只，而2020年為67億只。5G智能手機(jī)、機(jī)器視覺和更多嵌入式攝像頭的應(yīng)用是CMOS圖像傳感器銷售額屢創(chuàng)新高的重要推手。

 

圖2：CMOS圖像傳感器的銷售額將在2021年重新步入高增長通道

（圖源：IC Insights）

 

兩家機(jī)構(gòu)的市場預(yù)估數(shù)據(jù)雖有差異，但總體來看，CMOS圖像傳感器已經(jīng)處于市場較快發(fā)展階段，應(yīng)用前景可期。

 

車載系統(tǒng)

 

車載領(lǐng)域的CMOS圖像傳感器應(yīng)用包括后視攝像（RVC）、全方位視圖系統(tǒng)（SVS）、攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（CMS）、FV/MV、DMS/IMS（駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)/）系統(tǒng)。其中，汽車圖像傳感器全球銷量呈逐年增長趨勢。RVC是銷量主力軍，呈穩(wěn)定增長趨勢，2016年全球銷量為5100萬臺，2018年為6000萬臺，2019年預(yù)計(jì)達(dá)到6500萬臺。FV/MV全球銷量增長迅速，2016年為1000萬臺，2018年為3000萬臺，此后，預(yù)計(jì)FV/MV將依舊保持迅速增長趨勢，預(yù)計(jì)2019年銷量可達(dá)4000萬臺，2021可達(dá)7500萬臺，直逼RVC全球銷量。

 

圖3：汽車圖像傳感器全球市場情況

（圖源：OmniVision）

 

目前，車載攝像頭已經(jīng)成為中高端車型的標(biāo)配，主要應(yīng)用于倒車影像系統(tǒng)。在高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)中，攝像頭和CMOS圖像傳感器是其核心組件。若要實(shí)現(xiàn)自動緊急剎車(AEB)、自適應(yīng)巡航(ACC)、疲勞監(jiān)測、車道偏離輔助、360°環(huán)視等功能，每輛車將需要配置6-8個(gè)攝像頭和傳感器。IC Insights的報(bào)告顯示，汽車系統(tǒng)是未來五年CMOS圖像傳感器中增長最快的應(yīng)用，2025年銷售額將以33.8%的復(fù)合年增長率增長，達(dá)到51億美元。

 

安森美半導(dǎo)體是全球CMOS圖像傳感器的主要供應(yīng)商之一，其圖像傳感器產(chǎn)品覆蓋了從VGA到5,010萬像素的分辨率，從1 fps到815 fps的幀速率，從1/13英寸到645中等格式的光學(xué)格式，卷簾快門到全局快門的圖像性能，以及多種接口和封裝類型。在汽車圖像傳感器領(lǐng)域，安森美是唯一擁有全系列CMOS圖像傳感器產(chǎn)品的企業(yè)。憑借這一優(yōu)勢，近年來安森美一直居于汽車圖像傳感器市場的首位，在2018年，市場占比超過50%。從安森美公開的數(shù)據(jù)可以看到，截至2019年，該公司應(yīng)用于輔助駕駛的圖像傳感器AR0132AT的出貨量已突破1億顆。

 

智能手機(jī)

 

截至目前，智能手機(jī)仍是CMOS圖像傳感器最大的終端應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的智能手機(jī)開始注重拍照的硬件升級，如今1/1.7英寸級的CMOS圖像傳感器已成智能手機(jī)攝像頭傳感器的新選擇。與此同時(shí)，更多的智能手機(jī)開始用上1/2.3英寸級的CMOS圖像傳感器。智能手機(jī)攝像頭數(shù)量的增加，進(jìn)一步帶動了CMOS圖像傳感器用量的提升。Yole的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，平均每部智能手機(jī)CMOS圖像傳感器數(shù)量在2024年將達(dá)到3.4個(gè)，年復(fù)合增長率達(dá)到6.2%。接下來的幾年，智能手機(jī)行業(yè)對CMOS圖像傳感器的需求仍將保持較為穩(wěn)健的增長。

 

圖4：2017--2024年手機(jī)攝像頭增長預(yù)測

（圖源：Yole，西南證券）

 

CMOS圖像傳感器市場雖一路看漲，但各廠商之間的競爭絲毫未見松懈。根據(jù)分析機(jī)構(gòu)Canalys發(fā)布的市場數(shù)據(jù)，今年第一季度全球智能手機(jī)CMOS圖像傳感器出貨量為14.3億顆，同比增長11%。其中，索尼公司的出貨量為2.5億顆，同比減少約27.5%。在CMOS圖像傳感器市場，索尼的整體市占率也從50%大幅下滑至35%，而此前一直居于市場第二位的三星公司始終保持著較高的出貨量，現(xiàn)與索尼一起并列市場第一。緊隨其后的是豪威科技（OmniVision）和格科微兩家公司，市場占比分別為15%和10%。

 

安防市場

 

物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，使得具有視頻分析功能的智能安防監(jiān)控?cái)z像頭開始大規(guī)模部署。全球安防攝像機(jī)市場銷量在2015年約為28萬件，其中監(jiān)視攝像機(jī)約8萬件，安保系統(tǒng)攝像機(jī)約20萬件。預(yù)計(jì)到2021年安防攝像機(jī)市場銷量約64萬件，其中監(jiān)視攝像機(jī)約22萬件，年均復(fù)合增長率為18%，安保系統(tǒng)攝像機(jī)約42萬個(gè)，年均復(fù)合增長率約13%。據(jù)IC Insights預(yù)測，全球安防監(jiān)控領(lǐng)域CMOS傳感器在2020年的需求量有望達(dá)到9.12億美元，復(fù)合增長率為36%。

 

早在2019年6月豪威科技就發(fā)布了2.9微米級OS04A10圖像傳感器，該產(chǎn)品配置了其業(yè)界領(lǐng)先的Nyxel近紅外（NIR）和超低光技術(shù)，將分辨率提高到了400萬像素。Nyxel技術(shù)能顯著提升圖像傳感器在850nm和940nm波長的感光性能。其中，在850nm波長處感光性提升了3倍至60%的量子效率，在940nm處則提升了5倍至40%的量子效率。對于監(jiān)視系統(tǒng)而言，這種性能的提升可以減少攝像機(jī)鏡頭周圍的IR LED數(shù)量，節(jié)省了成本和功耗。

 

已被安森美收購的Aptina公司，其圖像傳感器產(chǎn)品在安防領(lǐng)域頗具影響力，它推出的具有寬動態(tài)范圍、支持3D攝像頭和弱光環(huán)境下高靈敏度的AR0331高清監(jiān)控圖像傳感器，率先達(dá)到了在線性模式和多重曝光寬動態(tài)范圍兩種模式下1080p分辨率、60fps幀率的性能。該芯片采用了1/3英寸光學(xué)格式，能在光照度低于1lux（1流明/平方米）的弱光環(huán)境中工作。除了寬動態(tài)范圍，AR0331還帶有內(nèi)置自適應(yīng)區(qū)域色調(diào)映射功能。此外，AR0331圖像傳感器中新增了3D立體攝像技術(shù)，能使多個(gè)攝像機(jī)同步工作。

 

圖5：帶有AR0331圖像傳感器的3MP WDR堆疊攝像頭模塊

（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

 

醫(yī)療影像

 

醫(yī)療成像設(shè)備行業(yè)是一個(gè)潛力巨大的市場。2016年，醫(yī)療傳感器市場規(guī)模約3.5億美元，預(yù)計(jì)到2022年將達(dá)6億美元。CMOS圖像傳感器憑借其以更小的像素尺寸獲得更高分辨率、低噪聲水平、低成本等方面的優(yōu)勢，在醫(yī)療影像領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前，CMOS圖像傳感器主要應(yīng)用于X-Ray以及內(nèi)窺鏡領(lǐng)域。2018年，CMOS X-Ray成像設(shè)備市場的收入為2.45億美元，預(yù)計(jì)到2024年將增長至5.1億美元，年復(fù)合增長率13%。

 

CMOS圖像傳感器的小型化是其應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備的關(guān)鍵，特別是對柔性視頻內(nèi)窺鏡這樣的應(yīng)用，比如喉鏡、支氣管鏡、關(guān)節(jié)鏡、膀胱鏡和宮腔鏡等，CMOS電子內(nèi)窺鏡可得到高清晰度圖像，有利于醫(yī)生對病變的診斷。

 

豪威科技的CameraCubeChip產(chǎn)品是一種采用先進(jìn)的芯片級封裝技術(shù)整合集成晶圓級光學(xué)器件和CMOS圖像傳感器的創(chuàng)新解決方案。該產(chǎn)品能提供圖像傳感、處理和單芯片輸出的全部功能。豪威OVM6946和OVM6948兩款CMOS圖像傳感器產(chǎn)品的尺寸僅為0.9mm×0.9mm和0.5mm×0.5mm，據(jù)此生產(chǎn)的攝像頭大小也僅有1mm×1mm和0.6mm×0.6mm。

 

豪威科技最新發(fā)布的新一代OH08A和OH08B CMOS圖像傳感器，是業(yè)界首款用于一次性和可重復(fù)使用內(nèi)窺鏡的800萬像素分辨率的醫(yī)療級圖像傳感器。其中，OH08A圖像傳感器采用的是豪威科技下一代PureCel Plus-S晶片堆疊技術(shù)，在盡可能小的芯片尺寸中實(shí)現(xiàn)了高性能。OH08B則是一款尺寸稍大，但性能更高的產(chǎn)品，它采用了豪威科技Nyxel技術(shù)，可在彩色和紅外成像方面提供較高圖像質(zhì)量。

 

圖6：豪威科技新一代OH08ACMOS圖像傳感器

（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

 

結(jié)語

 

CMOS圖像傳感器最重要的優(yōu)點(diǎn)是可以將傳感器與成像系統(tǒng)所需的其他模擬和數(shù)字電路集成在一起，模塊尺寸可以做的非常小，功耗也顯著下降。

 

近年來，CMOS的片內(nèi)降噪能力穩(wěn)步提高，進(jìn)一步提高了CMOS圖像傳感器在微光下的性能。在成本上，雖然CCD圖像傳感器的制造成本比過去有一定程度的降低，但CMOS圖像傳感器的制造成本也在持續(xù)下降中，價(jià)格上的競爭優(yōu)勢始終得以保持。

 

眾所周知，智能手機(jī)、汽車、安防，是CMOS圖像傳感器的三大主力應(yīng)用市場。最近幾年，在技術(shù)的加持下，CMOS圖像傳感器的尺寸不斷縮小，性能也有了大幅的提高，這些改變?yōu)镃MOS圖像傳感器進(jìn)軍醫(yī)療影像市場打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而醫(yī)療影像市場亦將成為CMOS圖像傳感器大力拓展的第四戰(zhàn)場，產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的新引擎。

 

來源：貿(mào)澤電子

 

 

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